Beaugency-ban látta meg a napvilágot. Kezdetben pénzügyminisztériumi tisztviselő volt, majd az elektromossággal kísérletezett. Jelentős találmánya a hidrométer egy típusa, a tükrös goniométer, továbbfejlesztette a Gravesand-féle heliosztátot és Fahrenheit sűrűség- és nyomásmérőjét. A gázok hőkiterjedésének törvényeit kutatta, nevéhez fűződik a Charles-törvény, amely később Gay-Lussac I. törvényeként lett ismert: állandó nyomáson a gázok térfogata abszolút hőmérsékletükkel arányos. Jelentősek az ezzel is összefüggő léggömbkísérletei. Ő alkalmazott először melegített levegő helyett hidrogént a léggömbök feltöltésére. A Montgolfier-testvérek kísérletei után Nicolas és Anne-Jean Robert-rel építette meg 1783-ban a legelső hidrogén-léggömbök egyikét. Kísérleti ballonjukkal, amely 8,4 méter átmérőjű volt, 42 kilométert repültek, és elérték a 2750 méteres magasságot. 1795-ben a párizsi akadémia tagjává választották, majd a fizika professzora lett. Tanulmányai főként matematikai tárgyúak. Kísérletezett a fényképezéssel is. Párizsban hunyt el 1823. április 7-én.